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如何解决PCB设计中阻抗不连续问题

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发表于 2022-7-4 09:55 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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大家都知道阻抗要连续。PCB 设计也总有阻抗不能连续的时候。怎么办?
% B" K" m) v4 x2 ^! g! ?9 r/ m4 t! ^2 j. M( P% C3 f( R' _
特性阻抗:又称“特征阻抗”,它不是直流电阻,属于长线传输中的概念。在高频范围内,信号传输过程中,信号沿到达的地方,信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立,会产生一个瞬间电流。2 f1 T/ N* l" c  ]
如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就始终存在一个电流 I,而如果信号的输出电压为 V,在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为 V/I,把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗 Z。
( D) |  V# A3 L信号在传输的过程中,如果传输路径上的特性阻抗发生变化,信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。+ m: N$ n) a) q3 S
影响特性阻抗的因素有:介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。
- W* U$ \$ }0 c2 \【1】渐变线
' @" Q" S0 G# X4 w一些 RF 器件封装较小,SMD 焊盘宽度可能小至 12mils,而 RF 信号线宽可能达 50mils 以上,要用渐变线,禁止线宽突变。渐变线如图所示,过渡部分的线不宜太长。
: `5 D% I9 N/ U7 d' e& x9 @5 Y& k9 b& l' L, w, c3 n
【2】拐角
  f- P* o- G8 @4 s; x3 D: aRF 信号线如果走直角,拐角处的有效线宽会增大,阻抗不连续,引起信号反射。为了减小不连续性,要对拐角进行处理,有两种方法:切角和圆角。圆弧角的半径应足够大,一般来说,要保证:R>3W。如图右所示。
& a6 b( m: l- ~. y, s
9 G0 s% @! t! |: ?1 m' F【3】大焊盘5 Z7 z+ ~# ?! v8 l$ x
当 50 欧细微带线上有大焊盘时,大焊盘相当于分布电容,破坏了微带线的特性阻抗连续性。可以同时采取两种方法改善:首先将微带线介质变厚,其次将焊盘下方的地平面挖空,都能减小焊盘的分布电容。如下图。# y3 O* B# x% _2 k. v& Y4 k) V

8 @: B7 X7 o; s  X! W% G# e【4】过孔9 O7 ~' E- x( g! x9 v/ }# k" k
过孔是镀在电路板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片,它们将过孔连接至顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙,以防止到电源和接地层的短路。
, E% [3 B- T; R: K! A
! A* p, ^% {6 _+ ]若经过严格的物理理论推导和近似分析,可以把过孔的等效电路模型为一个电感两端各串联一个接地电容,如图所示。  @/ i: c- {9 ~. y* Q" B
8 }0 q0 `, S, G6 e$ X: q
从等效电路模型可知,过孔本身存在对地的寄生电容,假设过孔反焊盘直径为 D2,过孔焊盘的直径为 D1,PCB 板的厚度为 T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:2 J% }) S) ~1 G2 u- r  m9 ]

( W3 m9 [! U' R过孔的寄生电容可以导致信号上升时间延长,传输速度减慢,从而恶化信号质量。同样,过孔同时也存在寄生电感,在高速数字 PCB 中,寄生电感带来的危害往往大于寄生电容。
7 K" ]% |* l& n1 v  F- l* P它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,从而减弱整个电源系统的滤波效用。假设 L 为过孔的电感,h 为过孔的长度,d 为中心钻孔的直径。过孔近似的寄生电感大小近似于:7 M2 J2 M7 A9 Y$ [" K3 m
! ~' d% {' q2 c6 a5 S
过孔是引起 RF 通道上阻抗不连续性的重要因素之一,如果信号频率大于 1GHz,就要考虑过孔的影响。& ?6 h" U8 Q# W$ ?" [7 s
减小过孔阻抗不连续性的常用方法有:采用无盘工艺、选择出线方式、优化反焊盘直径等。优化反焊盘直径是一种    常用的减小阻抗不连续性的方法。由于过孔特性与孔径、焊盘、反焊盘、层叠结构、出线方式等结构尺寸相关,建议每次设计时都要根据具体情况用 HFSS 和 Optimetrics 进行优化仿真。( O! g% ^7 q) L8 w9 |5 z9 J+ o, _
当采用参数化模型时,建模过程很简单。在审查时,需要 PCB 设计人员提供相应的仿真文档。5 Q8 T  ]& O0 c2 e) ]$ H" Y
过孔的直径、焊盘直径、深度、反焊盘,都会带来变化,造成阻抗不连续性,反射和插入损耗的严重程度。
0 [- p6 x: W* R4 A& F+ K4 K: y【5】通孔同轴连接器
( T) A/ l1 l4 x8 Z4 g  X; `$ A与过孔结构类似,通孔同轴连接器也存在阻抗不连续性,所以解决方法与过孔相同。减小通孔同轴连接器阻抗不连续性的常用方法同样是:采用无盘工艺、合适的出线方式、优化反焊盘直径。
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  • TA的每日心情
    无聊
    2023-12-15 15:00
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    [LV.9]以坛为家II

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    发表于 2022-7-4 10:22 | 只看该作者
    感谢分享,学习学习

    该用户从未签到

    3#
    发表于 2022-7-4 10:41 | 只看该作者
    有学习的机会一定要看看。

    该用户从未签到

    4#
    发表于 2022-7-4 15:37 | 只看该作者
    帮别人解决问题,自己也能提升
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